Umwelt-Material-Interaktionen
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Organisationseinheit der BAM
- 4 Material und Umwelt (155)
- 6 Materialchemie (59)
- 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen (58)
- 7 Bauwerkssicherheit (57)
- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (44)
- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (43)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (35)
- 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien (35)
- 4.0 Abteilungsleitung und andere (34)
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (32)
Neubewertung von metallenen Dach- und Fassadenmaterialien unter Dauerhaftigkeits- und Umweltaspekten
(2023)
Metallene Dach- und Fassadenmaterialien unterliegen nach ihrer Installation infolge von Korrosions- und Abschwemmprozessen einem Abtrag von Metallionen. Durch Regenereignisse gelangen diese in umliegende Gewässer und Böden. Die verwendeten metallenen Werkstoffe, wie z.B. Kupfer und Zink bilden zeitabhängig schützende Deckschichten aus, die die Dauerhaftigkeit der Werkstoffe gewährleisten und damit den Austrag von Metallionen signifikant begrenzen. Die Geschwindigkeit der Deckschichtbildung sowie die erreichte Schutzwirkung sind von verschiedenen Umwelteinflüssen und klimatischen Bedingungen abhängig. Diese haben sich in den letzten Jahrzehnten in Europa stark verändert, so dass es einer aktuellen Datenbasis für die Bewertung der Dauerhaftigkeit und der Umweltauswirkungen bedarf. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens werden aktuell Feldstudien zur Ermittlung des Runoffs und der Schutzwirkung der gebildeten Deckschichten durchgeführt. Ergänzt werden diese durch Laborversuche mit künstlicher Beregnung.
Der Vortrag stellt den aktuellen Stand des Forschungsprojekts RUNOFF vor. Dabei liegt der Fokus auf die Neubewertung der Dauerhaftigkeit von Zink und feuerverzinktem Stahl. Unter bewitterten Bedingungen erreichen beide Materialien stabile, karbonathaltige Deckschichten bereits nach einer Auslagerungszeit von zwei Monaten. In den parallel zu den Feldversuchen laufende Laborversuche werden aktuell der Einfluss dreier Faktoren (Ph-Wert, Winkel des Probenmaterials, Niederschlagsintensität) auf das Abschwemmverhalten von Zinkionen mithilfe eines an der BAM konstruierten Niederschlagsimulators untersucht.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
In den vergangen Jahren hat das Umweltbewusstsein in der Bevölkerung stark zugenommen und somit auch das Interesse an der Vermeidung von anthropogenen (Schad-)Stoffen in der Umwelt. Eine (neue) Substanzklasse, deren Umweltauswirkungen noch nicht vollständig untersucht sind und die in den vergangenen Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen hat, sind (metallbasierte) Nanomaterialien. Im Gegensatz zu bspw. Elementspezies weisen Nanomaterialien eine Vielzahl von Eigenschaften auf und lassen sich nicht über nur ein Merkmal beschreiben - dies stellt eine große analytische Herausforderung dar. Hier haben sich vor allem die Feld-Fluss-Fraktionierung (AF4) und die single-particle-ICP-MS als leistungsstarke analytische Methoden herausgestellt. In (aquatischen) Umweltmatrizes (z.B. Oberflächengewässern) liegen neben artifiziellen auch natürliche Partikel vor, was eine weitere große Herausforderung für den Nachweis von Nanomaterialien darstellt.
Neben dem Nachweis von anthropogenen Stoffen in der Umwelt ist zudem deren ökotoxikologische Bewertung wichtig. In der aquatischen Ökotoxikologie werden hierzu Testorganismen mit den jeweiligen Substanzen über die Wasserphase exponiert. Effektkonzentrationen (EC50) werden dabei auf Basis der Konzentrationen in der Wasserphase abgeleitet - tatsächlich bioakkumulierte Mengen werden hierbei jedoch meist nicht ermittelt; eine weitere große Herausforderung besteht zudem in der Bewertung von Mischungstoxizitäten. Gängige Testorganismen sind u.a. Kieselalgen (Diatomeen). Diatomeen stehen am Anfang der Nahrungskette - toxikologisch relevante Metalle/Nanomaterialien können sich hierüber im Nahrungsnetz der Oberflächengewässer anreichern und ggf. nachhaltig auswirken.
Im ersten Teil des Vortrages werden zunächst neue elementanalytische Methoden zum Nachweis von metallbasierten Nanopartikeln in Umweltmatrizes auf Basis der AF4/ICP-SFMS sowie stabilen Isotopenlabeln am Beispiel von Eisennanopartikeln vorgestellt.
Im zweiten Teil wird eine neue elementanalytische Methode als komplementäre Technik zur ökotoxikologischen Bewertung von (Schad-)Stoffen vorgestellt. Die neue Methode basiert auf der on-line Kopplung von HPLC mit der single-cell-ICP-(ToF)-MS (sc-ICP-(ToF)-MS) [1, 3-5]. Hierüber konnten wir erfolgreich die automatisierte Multielementanalytik einzelner Diatomeen realisieren und zur Analyse von mit Metallen inkubierten Diatomeen (cyclotella meneghiniana) einsetzen. Wir konnten zeigen, dass die sc-ICP-ToF-MS zukünftig eine leistungsstarke, komplementäre Technik in der aquatischen Ökotoxikologie zum z.B. Test von Metallen und Nanomaterialien darstellt.
Die Kreislaufwirtschaftsinitiative der Europäischen Kommission fordert eine grundlegende Erweiterung bestehender Rechtsrahmen. Anforderungen zu einer gesetzlich vorgeschriebenen Lebensdauer, Reparierbarkeit, Recyclingfähigkeit, etc. von Produkten sollen unter der Ökodesign-Richtlinie geregelt werden. Bei diesem Vorhaben steht der Normungsauftrag M/543 im Zentrum. Es wurde 2015 von der Europäischen Kommission vergeben und bislang sind acht horizontale bzw. generische EN-Normen geplant. Trotz der zu erwartenden hohen Reichweite dieses Vorhabens scheinen die Inhalte und der eigentliche Zweck der zu erarbeitenden Normen vielen Marktakteuren noch nicht vollständig bekannt zu sein, daher sollen im Rahmen des Webinars diese Inhalte kurz vorgestellt werden.
For centuries, churches, secular buildings and museums have been furnished with valuable works of art. Many works of art are UV- and light-sensitive. It is well known that especially UV radiation causes damage and discoloration in paintings, textiles, plastics, wood and other materials. In particular, the wavelengths between 280 and 410 nm cause color changes, embrittlement or destruction of e.g. plastics over time. Therefore, strongly UV-absorbing glasses are advantageous for architecture and are necessary for the protection of cultural assets. As restorers in all disciplines become more and more aware, the demands placed on buildings and their furnishings in terms of climate are becoming increasingly detailed and precise. The aim in each case is to preserve the valuable artwork.
For some years now, the industry has been offering the protection of cultural objects by installing special UV-protective glasses. Currently, UV protection for church buildings is realized by laminated safety glass equipped with appropriate UV-protective plastic films. Technically, this always means a second pane of glass in front of the windows, which is installed outside the building. This creates climatic gaps that are difficult to control and deterioration due to ageing effects can be expected. At the same time, this protective glazing is not invisible and has a considerable aesthetic influence on the interior and exterior appearance of the building. Meanwhile, the preservation of historical monuments accepts such aesthetic cuts on buildings in order to protect the artwork in the interior from UV light. To this day, however, the long-term durability of UV protection provided by inserted plastic films is still controversial.
To date the only available alternative on the market is a mouth-blown UV protection glass which uses a so-called overlay to provide UV protection. This shows that UV protection can also be achieved by glasses without plastic films thus realizing an exclusive inorganic protection which normally is more stable than a polymeric one. So far there are not enough studies to prove long-term durability.
The aim of this project is to provide existing glazing or new glazing to be created with a highly transparent layer that ensures this UV-protective filter function below 400 nm. The glass coating is to be applied to the glass over a large area and fired into the surface like a classic ceramic enamel paint with the same technics. In addition, it should be long-term durable in its function. It means, that the glass has to be fused at temperatures below 630 °C during the firing process, its chemical durability has to be high, its coefficient of thermal expansion has to be as close as the one of the substrate (usually float glass) and the glass has to absorb the UV-radiation within a thin thickness (thinner as 100 µm).
In this project, the long-term durability of commercial UV-protective glasses is examined. New low melting glasses containing UV-absorbing ions are being developed. Their UV-absorption as a thin layer is analyzed as well as their chemical durability and their thermal properties.
We are grateful to BMWI for the financial support in the frame of the Central Innovation Programme for SMEs (ZIM).
Der Vortrag stellt eine Ergebniszusammenfassung des WIPANO-Vorhabens GELELEK im Hinblick auf eine Normung dar. Dafür wird das Projekt zunächst kurz vorgestellt, um anschließend auf normungsrelevante Parameter einzugehen. Dazu gehören insbesondere die Umgebungs- und Messbedingungen, die Herstellungsparameter der Gelpads, das Messverfahren selbst sowie die messbaren Proben. Ein erster Ausblick auf den Normvorschlag wird gegeben.
Der Vortrag fasst die Schnittmenge zwischen Normung und Politik bezüglich einer zirkulären Wirtschaft (Circular Economy) zusammen. Es wird an konkreten Schlüsselgremien und praktischen Beispielen gezeigt, wie Circular Economy bereits heute durch Normung gelingen kann und welche Zuarbeit durch die Politik von den Normungsgremien erbeten wird.
Eines haben die Krisen dieses Jahrzehnts gemeinsam: Sie motivieren zum Handeln. Bezüglich der Klimakrise wird eine grundlegende Änderung unseres Wirtschaftens als wesentlicher Lösungsweg gesehen. Die aktuell praktizierte lineare Wertschöpfung führte zu Ressourcenknappheit und -abhängigkeit und trug aktiv zur Verstärkung des Klimawandels bei. Wie wir in diesem Jahrzehnt unseren Absprung von gewohnten Produktions-, Konsum- und Verwertungsmustern gestalten, wird entscheidend für die nächsten Jahrzehnte sein. Die Frage, wie bis 2030 die Transformation hin zu einer zirkulären Wirtschaft gelingen kann, wurde u.a. von der Circular Economy Initiative Deutschland beantwortet. Sie nennt zehn Handlungsschwerpunkte, wobei „Standardisierung“ mit an wichtigster Stelle steht. Dieses beruht auf Gegenseitigkeit. Auf der diesjährigen G7 Standardisation High-level Conference wurde Circular Economy zu dem Themabereich mit dem größten Potential für Klimaschutzmaßnahmen gesehen.
In 2022 haben DIN, DKE und VDI mit über 500 Fachexperten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik an einer Normungsroadmap Circular Economy gearbeitet. Die BAM war in fünf von sieben Schwerpunktthemen beteiligt. Ziel der Roadmap ist es, einen Handlungsrahmen für die Normung und Standardisierung zu schaffen, der die Transformation hin zu einer Circular Economy fördert. Normen und Standards bilden den untergesetzlichen und technischen Rahmen, auf denen eine zirkuläre Wirtschaft aufwachsen kann. Sie definieren Schnittstellen und stellen eine klare Kommunikation zwischen den verschiedenen Phasen des zirkulären Kreislaufes sicher – sie machen einen Kreislauf erst möglich.
In der Präsentation sind die Highlights der Normungsroadmap Circular Economy dargestellt. Die Roadmap liefert einen Überblick über die aktuelle Normungslandschaft sowie die An- und Herausforderungen zu Schwerpunktthemen wie Elektrotechnik, Kunststoffe, Verpackungen, Textilien, Bauwerke, etc. Mit >250 Normungs- und Standardisierungsbedarfen zeigt die Roadmap konkrete Handlungsfelder auf, ebenfalls mit Überschneidungen zum Geschäftsfeld der BAM.
Der Vortrag umfasst eine Einsortierung der Circular Economy in der Normung, skizziert die Inhalte der DIN/DKE/VDI-Normungsroadmap Circular Economy bezüglich Digitalisierung, Elektrotechnik und IKT sowie Batterien und zeigt Schnittstellen zur Politik. Zum Schluss zeigt der Vortrag erste Ansätze zur Umsetzung der in der Normungsroadmap beschriebenen Normungsbedarfe.
The properties of nanomaterials are influenced not only by their chemical composition but also by physical properties (such as size, geometry and crystal structure). For the reliable determination and assessment of behaviour and effects of nanomaterials as well as for the determination of the exposure of humans and environment a comprehensive physical-chemical characterization of nanomaterials is essential. This is an important prerequisite to identify them as nanomaterials and to interpret and compare test results and - in future – to forecast interaction and effects of nanomaterials.
In 2006, the OECD launched a sponsorship program for the testing of nanomaterials in which 11 nanomaterials were thoroughly investigated using a variety of methods. The aim of the project was, among other things, to find out where problems occur and where there are gaps in the measurement and test procedures and where are changes required. An important outcome of the sponsorship program was the finding that the OECD Test Guidelines should in several cases be extended to the specific needs in testing of nanomaterials. The existing standardized test methods of the OECD for physical-chemical characterization have not been developed for nanomaterials in particular. A high demand for an extension of the test guidelines was identified. Germany complied with the OECD's request in 2017 and has agreed to extend the “Test Guideline on Particle Size Distribution / Fiber Length and Diameter Distributions Test Guideline” for Manufactured Nanomaterials (MN). UBA commissioned BAM and BAuA with the preparation of the Test Guideline. The aim of the project is the development of a harmonized test protocol for a valid and reproducible determination of particle size and size distribution which is one of the most relevant physical-chemical properties for MNs.
Different measuring methods provide different results for the size distribution of the particles. This is caused by the different measuring principles of the methods. Each method measures a specific parameter that ultimately determines particle size. First, the measured quantity differs for each method (Scattered light intensity, 2D image / projection, electric mobility, etc.). Second, the calculated diameters of the MN may differ (Feret Diameter, Area Projection, Mobility Diameter, Aerodynamic Diameter, Hydrodynamic Diameter). Third, a measuring method provides a size distribution which is measured either mass-based, surface-based or number-based. A conversion between the results requires additional parameters and thus possibly increases the measurement error.
In addition to the technical differences, the individual parameters are strongly influenced by the structure and material of the nanoparticles. For example, a surface functionalization can lead to very different results in the size distribution. The suitability of measurement methods differs with the material of the MN. As a result, two very different results can be measured for the particle size distribution using two different methods, which are nevertheless both correct. Several large projects in recent years therefore concluded that nanomaterials should be characterized by at least two complementary method. Imaging techniques are regarded as one of these methods for the characterization, the complementary methods are supposed to be statistical methods.
The different results for the size distribution of nanomaterials become problematic for the registration of new MN. A comparable and reproducible size distribution is a prerequisite for a standardized registration. In the future, the particle size distribution in the EU will also decide on the classification of a substance as a nanomaterial or as a non-nanomaterial. Especially in borderline cases, a standardized and comparable measurement methodology is therefore essential.
This presentation was held in an OECD Webinar introducing the newly developed and published OECD TG 125 on particle size and size distribution. The presentation is explaining the structure if the TG 125 and addresses all included methods and methodologies in a short and understandable way for the broader public. The presentation includes sections about nano-particles and nano-fibres.
In arid sun-exposed environments, rock-inhabiting fungi dominate microbial communities on rock surfaces. Fungi are known to enhance rock weathering, although the exact mechanisms are not completely understood. These natural processes can be simulated by reproducible experimental systems. Particularly attractive are genetically amenable rock-weathering fungi, where certain traits can be knocked-out to identify weathering-relevant functions. Here, we studied the effect of the rock-inhabiting fungus Knufia petricola A95 and its melanin-deficient mutant (ΔKppks) on the weathering of a Fe-bearing olivine. We examined the olivine dissolution kinetics and looked at the olivine-fungus interface. For the former we inoculated olivine powder with the fungus in batch and mixed flow reactors and analysed the medium solution by ICP-OES, for the latter biofilm-covered olivine sections from flow-through reactors were analysed by FIB-TEM.
In general olivine dissolution was lower when olivine was incubated without fungi: the abiotic olivine dissolution rates were lowest and the surface of the abiotically reacted olivine sections showed no etching. Various chemical analyses show Fe (oxyhydr)oxide precipitation on top of the abiotically reacted olivine, indicating its role in inhibiting olivine dissolution. Both the wild type (WT) and ΔKppks solubilised and bound significant amounts of Fe released by olivine dissolution. Fe (oxyhydr)oxide precipitation was thus reduced, explaining the enhanced olivine dissolution in their presence. Particularly efficient at preventing Fe precipitation were attached WT cells: the inhibition of olivine dissolution almost completely disappeared. The attachment capacity of the WT is most likely caused by the production of WT-specific extracellular polymeric substances. Our presented experimental systems allowed the precipitation of Fe (oxyhydr)oxides and included a rock-inhabiting fungus and thus simulated weathering processes relevant to natural ecosystems.